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一文介绍计算机控制系统的四种电源

来源: 维库电子网
2020-10-20
类别:设计应用
eye 39
文章创建人 拍明

原标题:一文介绍计算机控制系统的四种电源

计算机控制系统(如工业PLC、嵌入式控制器、机器人主控单元等)对电源的稳定性、可靠性和抗干扰能力要求极高。根据功能和应用场景,其电源系统通常分为以下四类,以下从原理、特性及典型应用展开分析。


一、主电源(Primary Power Supply)

1. 定义与作用

  • 主电源是计算机控制系统的核心供电单元,负责将外部输入电源(如市电220V AC或直流母线)转换为系统内部所需的稳定电压(如5V、12V、24V DC)。

  • 功能:为CPU、内存、总线接口等核心部件供电,需满足高精度、低纹波和快速动态响应要求。

2. 典型实现方案

  • 开关电源(SMPS)

    • 原理:通过高频开关管(如MOSFET)和变压器实现电压转换,效率高(通常>85%)。

    • 优点:体积小、重量轻、效率高。

    • 缺点:开关噪声可能干扰敏感电路,需加强滤波设计。

  • 线性电源(LDO)

    • 原理:通过晶体管线性调节实现降压,纹波低。

    • 应用场景:对噪声敏感的模拟电路(如ADC参考电压)供电。

3. 关键参数

  • 输入电压范围:85V~265V AC(宽电压输入,适应不同电网标准)。

  • 输出功率:根据系统功耗选择(如100W~500W)。

  • 效率:>90%(减少发热,提升可靠性)。

  • 保护功能:过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)。


二、备用电源(Backup Power Supply)

1. 定义与作用

  • 备用电源在主电源失效时提供临时供电,确保系统安全关机或维持关键功能(如数据存储、紧急制动)。

  • 典型应用

    • 工业控制器:主电源断电时保存工艺参数。

    • 车载ECU:碰撞时确保气囊正常触发。

2. 典型实现方案

  • 超级电容(Supercapacitor)

    • 优点:充放电速度快(毫秒级响应),寿命长(>10万次循环)。

    • 缺点:能量密度低,需多节串联提高电压。

  • 锂电池(Li-ion)

    • 优点:能量密度高,适合长时间备用。

    • 缺点:需电池管理系统(BMS)防止过充/过放。

3. 关键参数

  • 容量:根据备用时间选择(如10F超级电容可支持5V@1A负载10秒)。

  • 切换时间:<10ms(确保无间断供电)。

  • 自放电率:超级电容<5%/月,锂电池<2%/月。


三、隔离电源(Isolated Power Supply)

1. 定义与作用

  • 隔离电源通过变压器或光耦实现输入/输出电气隔离,阻断地环路干扰和高压冲击,保护敏感电路。

  • 典型应用

    • 工业现场总线:隔离CAN、RS-485等通信接口。

    • 医疗设备:隔离患者与市电,防止漏电风险。

2. 典型实现方案

  • 反激式隔离电源

    • 原理:通过变压器实现输入输出隔离,结构简单,成本低。

    • 应用场景:小功率隔离(如5W以内)。

  • 正激式隔离电源

    • 原理:通过复位绕组消除变压器磁饱和,适合大功率(如100W以上)。

3. 关键参数

  • 隔离电压:2500V DC(工业)、5000V DC(医疗)。

  • 漏电流:<5μA(医疗设备需更严格)。

  • 效率:>80%(反激式),>85%(正激式)。


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四、冗余电源(Redundant Power Supply)

1. 定义与作用

  • 冗余电源通过多电源并联或N+1备份提高系统可靠性,单个电源故障时系统仍可正常运行。

  • 典型应用

    • 服务器:双电源热备份,MTBF(平均无故障时间)提升10倍以上。

    • 核电站控制系统:三电源冗余,确保极端情况下的安全性。

2. 典型实现方案

  • ORing二极管冗余

    • 原理:通过二极管实现电源并联,自动切换至正常电源。

    • 缺点:二极管压降导致效率降低(约0.7V)。

  • 热插拔控制器冗余

    • 原理:通过MOSFET和控制器实现零电压切换,效率高(>95%)。

    • 典型器件:TI TPS23753(支持48V输入,热插拔电流限制)。

3. 关键参数

  • 冗余度:N+1(如3电源支持2电源负载)、2N(完全备份)。

  • 切换时间:<10μs(热插拔控制器方案)。

  • 均流精度:<±5%(多电源并联时负载均衡)。


五、四类电源对比与应用场景


电源类型核心功能典型应用场景关键参数
主电源核心供电工业PLC、嵌入式控制器效率>90%,功率100W~500W
备用电源断电维持工业控制器、车载ECU切换时间<10ms,容量10F~10Ah
隔离电源电气隔离工业总线、医疗设备隔离电压2500V~5000V,漏电流<5μA
冗余电源高可靠性供电服务器、核电站控制系统冗余度N+1/2N,切换时间<10μs



六、设计建议

  1. 主电源与隔离电源结合

    • 主电源输出后接隔离电源,为通信接口供电,避免地电位差干扰。

  2. 备用电源容量计算

    • 根据负载功率和备用时间选择(如5V@1A负载,备用10秒需50F超级电容)。

  3. 冗余电源均流设计

    • 采用热插拔控制器(如TI TPS23753)实现多电源并联,避免单电源过载。


七、总结

  • 主电源是系统能量基础,需高效率、高可靠性。

  • 备用电源是安全底线,需快速响应、长寿命。

  • 隔离电源是抗干扰屏障,需高隔离电压、低漏电流。

  • 冗余电源是可靠性保障,需无缝切换、负载均衡。

通过合理配置四类电源,可显著提升计算机控制系统的稳定性、安全性和抗干扰能力,满足工业、医疗、交通等领域的严苛需求。


责任编辑:David

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标签: 控制系统

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